有源声呐距离维波束形成方法

针对脉冲压缩处理所获得的距离分辨率和干扰抑制能力不足的问题,提出了有源声呐距离维波束形成方法。该方法从单个脉冲回波的频域输出中提取多组子带分量,每个子带分量的中心频率形成等差数列,对应的相移形成复指数等比数列(可类比于均匀直线阵的阵列流形向量)。根据这一特点,使用多组子带分量构建协方差矩阵,根据中心频率设计距离维加权向量,建立了距离维波束形成模型。给出了距离维常规波束形成和距离维自适应波束形成的表达式、处理流程,对距离分辨率和干扰抑制能力进行了分析。利用数值仿真和水池实验证明,距离维常规波束形成可获得与脉冲压缩处理类似的距离分辨率,而距离维自适应波束形成可获得更高的距离分辨率和更优的距离维干扰抑制能力。     

超声平面波同相正交信号频域波束形成算法

针对频域平面波波束形成算法尚不能直接应用于采用正交解调的超声成像系统中的实际问题,提出一种平面波同相正交信号频域波束形成方法。以平面波射频信号频域波束形成算法为基础,根据射频信号与同相正交信号波数空间变量之间的关系,推导了平面波同相正交信号与对应图像的频谱映射表达式,从而实现对正交解调后信号的频域超声图像重建。采用2016年Plane Wave Imaging Challenge in Medical Ultrasound (PICMUS)发布的仿真、仿体及在体原始回波数据对这一方法进行验证,并评估图像的分辨率和对比噪声比。仿真和仿体实验结果表明,相对于射频信号的频域波束形成算法,该算法可获得与之相同的图像质量,并将成像速度提高了约4倍。在体实验数据的成像结果也验证了该算法在实际应用中的有效性。     

基于ADSP-21060芯片的多波束形成方法──时域实现与频域模拟

众所周知,利用阵列处理技术实现多波束形成是大多数声呐和雷达系统的关键步骤。波束形 成技术发展多年,己较成熟。本文讨论利用被动声呐的阵列输出以检测和定位宽带声源的多波束形 成方法。所用芯片为 ＡＤ公司推出的最新 ＤＳＰ芯片 ＡＤＳＰ－２１０６０ ＳＨＡＲＣ。对于时域偏重于讨论 技术实现,对于频域则讨论实验模拟,并根据芯片特点对两种方法进行了比较。     

数字波束形成算法仿真实现

从讨论波束形成方法在声系统中的主要作用和主要形成过程入手，介绍几种具体实现波束形成的算法。主要讨论一种能够降低硬件要求的波束形成算法——正交波束形成算法。此种方法不但适用于声系统，对于其他检测系统也有一定的实际意义。给出几种主要波束形成算法的Matlab仿真实现程序，将按照此类方法仿真所得到的波束形成指向性图与理论指向性图比较，两者非常类似。     

采用空间谱加权稀疏约束的稳健Capon波束形成方法

针对标准Capon波束形成器旁瓣级高以及期望信号方向存在误差时,性能会严重下降的问题,提出一种基于噪声及干扰空间谱加权的稀疏约束Capon波束形成方法。该方法利用波束响应本身具有的稀疏特性,以及在稀疏重构算法中l₁范数具有抑制较大值保护较小值的特性,使用噪声及干扰的空间谱对不同角度的波束响应进行加权,然后施以稀疏约束。仿真、水池试验与湖上试验中,与其它几种方法比较表明该方法可以降低波束形成器的旁瓣级,获得较深的零陷,提高了阵列输出信干噪比与抗导向向量误差的能力。     

圆弧形面阵自适应波束形成快速计算方法

针对圆弧形面阵估计水下目标二维波达方向的问题,提出一种降维处理的自适应波束形成方法。利用圆弧形面阵模型简化阵列内插矩阵的计算,通过垂直和水平两阶段波束加权,降低自适应波束形成维数,从而实现快速估计声源二维波达方向的目的。仿真结果表明,所提改进方法的计算量较传统二维最小方差无失真波束形成方法降低约一个数量级,且在低快拍条件下具有更明显的噪声抑制优势。湖上实验数据处理结果验证,在复杂水声环境下,所提方法具有较好的目标分辨性能。     

子空间方法用于宽容的自适应波束形成

由于浅海波导和接收阵本身存在大量的不确实性,使得接收到的阵数据产生严重的失真,而常见的自适应波束形成方法如MVDR对失配很敏感。为此,本文提出了一种宽容性的自适应子空间波束形成方法。考虑一个具有空间特征的信号位于已知的子空间,但在子空间中的具体位置未知,并将干扰建模为子空间干扰。首先对未知参量进行最大似然估计,代入似然比检测中得到广义似然比检测(GLRT),从而得到子空间波束形成器。通过对不同失配情况下仿真以及实际海试数据处理验证了子空间波束形成器的性能,仿真和实验数据处理结果表明,子空间波束形成器比MVDR更宽容,比较明显提高检测和估计性能。     

频域宽带下视多波束三维声成像算法

为解决下视多波束三维成像声呐跨航向分辨率差、旁瓣级高的问题,提出一种频域宽带下视多波束三维声成像算法。该算法将阵元域回波信号通过二维傅里叶变换直接变换到波数-频率域,之后进行深度向匹配滤波,同时选取带宽内的频点进行频域宽带信号的相位补偿,再进行二维逆傅里叶变换回阵元域,实现跨航向-深度向成像处理。沿航向采用时域合成孔径方法,得到三维图像结果.计算机仿真和海上实验结果表明,相比于常规的下视多波束三维成像声呐处理算法,改进的方法跨航向主瓣变窄,角分辨率明显提高,旁瓣降低10~30 dB。相比于传统基于分块DFT的频域宽带波束形成,改进的频域宽带方法避免了跨航向处理中的时域分块插值和多次变换域,复数加法和乘法次数显著降低。改进的频域宽带下视多波束三维声成像算法可以有效地获取水下三维高分辨图像,抑制虚影,明显改善成像质量。同时,计算效率高,更适合于实时成像系统实现。     

扩展拖曳阵宽带频域逆波束形成技术研究

为了提高扩展拖曳阵在低信噪比下对目标的探测性能,本文将基于扩展拖曳阵方法的被动合成孔径技术与宽带频域逆波束形成技术进行了结合,形成了一种新的被动合成孔径测向技术,有效地提高了扩展拖曳阵技术的探测性能,改善了传统基于被动合成孔径测向技术在低信噪比下性能急剧下降的问题,在低信噪比下获得了更高的方位分辨率,同时对于多目标及弱目标检测能力也更为优异。计算机仿真和海试数据的处理都证明了这一算法的良好性能。     

一种稳健的柔性阵波束形成方法

由于航向、航速的改变以及水流、风浪等因素的影响,柔性线列阵在实际应用过程中阵型畸变是不可避免的。一方面,这种畸变使得许多假设阵型无畸变的波束形成方法的性能受到严重的影响;另一方面,目前很多的阵型估计方法仍不是很成熟,很难准确估计阵元的实际位置。本文提出将柔性阵列分为一段阵元位置已知的子阵和若干段阵元未知的子阵,利用不同子阵接收信号的互相关即可获得所需要的波束形成加权系数,从而在不需要知道阵元确切位置信息的情况下实现目标方法的估计。     

旋转运动声源的频率波动修正波束形成方法

针对前飞状态的旋翼气动噪声信号频率存在周期性波动,且频域波束形成方法只能应用于稳态声源的问题,提出一种频率波动声源的波束形成方法。该方法利用已知的声源频率变化规律进行频率修正,在时域将频率波动信号等效为单频信号,基于该单频信号进行波束形成声源定位,实现了旋转运动的频率波动声源准确定位。数值仿真结果表明,提出的方法能够在频率波动幅值为127 Hz的情况下准确呈现出声源分布情况。在旋翼模型的风洞试验中,利用提出的频域波束形成方法其声成像结果中声源最大能量位置均在旋转轨迹上,而未进行频率修正的波束形成方法结果无法准确呈现出声源的位置。该方法扩展了频域波束形成方法中的单频声源假设,实现了旋转运动声源在频率波动状态下的波束形成,适用于前飞状态下旋翼气动噪声源的声源定位。     

用于自适应波束形成语音增强的球谐域掩蔽函数估计方法

提出一种用于球形阵列自适应波束形成的掩蔽函数估计方法。该方法利用包含空间信息的球谐系数提取低维空间向量,并采用复高斯混合模型和深度学习两种方案来估计掩蔽函数,最终利用估计的掩蔽函数设计最小方差无失真响应波束形成器,以达到空域滤波的效果。理论分析和仿真实验证明,对于相同时长的声信号,球谐域掩蔽函数估计方法的计算复杂度比传统阵元域估计方法低了一个数量级。并且在大部分声场环境中,尤其在低信噪比情况下,所提方法的语音质量感知评估测度得分、分段信噪比和短时客观可懂度明显高于阵元域方法,三者最高分别可提升1.31 dB,4.54 dB和35%。另外,实际声学环境的测量实验也验证了所提方法在不影响可懂度的条件下比传统阵元域方法具备更高的降噪量。     

基于波束形成的多类型多声源定位研究

为实现空压机多噪声源的准确定位,仿真对比了多种近场球面波多声源定位算法。基于时域波束形成,研究了相同声源平面、不同声源频率、不同声源纵向距离、不同声源强度下多声源定位以及声源频率、声源纵向距离和声源强度多因素联合的多声源定位仿真方法,模拟了更接近实际的噪声源类型。基于频域波束形成,仿真研究了1400 Hz,2400 Hz,3400 Hz,4400 Hz的多声源。分别利用互功率谱波束形成和除自谱的互功率谱波束形成,仿真研究了相干声源和不相干声源。开发了阵列声成像测试平台,运用频域波束形成和功率谱波束形成对空压机进行了定位试验研究。结果表明,1400 Hz下空压机的主要噪声源是气缸盖、空气滤清器和曲轴附近的机体,这可为空压机减振降噪改进设计提供依据。     

A novel acoustic emission beamforming method with two uniform linear arrays on plate-like structures

A novel acoustic emission (AE) source localization approach based on beamforming with two uniform linear arrays is proposed, which can localize acoustic sources without accurate velocity, and is particularly suited for plate-like structures. Two uniform line arrays are distributed in the x-axis direction and y-axis direction. The accurate x and y coordinates of AE source are determined by the two arrays respectively. To verify the location accuracy and effectiveness of the proposed approach, the simulation of AE wave propagation in a steel plate based on the finite element method and the pencil-lead-broken experiment are conducted, and the AE signals obtained from the simulations and experiments are analyzed using the proposed method. Moreover, to study the ability of the proposed method more comprehensive, a plate of carbon fiber reinforced plastics is taken for the pencil-lead-broken test, and the AE source localization is also realized. The results indicate that the two uniform linear arrays can localize different sources accurately in two directions even though the localizing velocity is deviated from the real velocity, which demonstrates the effectiveness of the proposed method in AE source localization for plate-like structures.     

利用水平阵模态域波束形成判别声源深度*

针对近水面声源和水下声源的深度判别问题,根据近水面声源难以激发低阶模态的物理现象,研究利用声源波数谱结构和波数位置的不同来分辨近水面声源和水下声源。通过采用MVDR的谱估计方法进行模态域波束形成,补偿水平阵各阵元之间各号简正波的相位差,获得主瓣窄、旁瓣低的声源信号波数谱。波数谱的波数位置与频率呈近似线性关系,水中声速剖面、海底参数、海深都会影响波数谱的具体结构和位置。此外,声源信号的到达角估计误差同样也会影响波数谱主瓣的位置估计。数值仿真结果表明,在浅海负跃层声速剖面条件下,可利用水平阵模态域波束形成判别声源深度,区分近水面声源和水下声源。     

Fabrication and evaluation of fully-sampled, two-dimensional transducer array for "Sonic Window" imaging system

A low-cost, fully-sampled, 3600 element 2D transducer array operating at 5 MHz and designed for use in a hand-held ultrasound system is described here. Four array configurations are presented - (1) array with both matching and pedestal backing layers, (2) array with a matching layer but no backing pedestal, (3) array with a backing pedestal but no matching layer, and (4) array with neither matching layer nor backing pedestal. Each array was characterized in terms of impedance measurements, pulse-echo response, and experimental beamprofile. Comparative finite element analysis simulations are also presented. Average estimated active element yield for the four arrays was 94%. The array with pedestal layer proved the most promising, providing a 26% bandwidth and a 1.7 dB improvement in sensitivity with respect to the array with neither pedestal nor matching layer. Although this bandwidth is acceptable for our specific application (C-scan imaging), reverberations within the substrate material remain a potential challenge. We are currently working to fabricate a custom PCB material to address this concern, and may also consider using a pre-compensated transmit waveform or matched digital filter approach to further reduce the effects of such reverberations.     

Sensing domain wall pinning in the longitudinal magnetoresistance of a two-dimensional electron gas

We investigate the sensing of domain wall pinning in thin Co wires positioned on top of a two-dimensional electron gas (2DEG) heterostructure by measuring the longitudinal resistance of the 2DEG as the magnetic field is swept, in an analogy to the Barkhausen effect. For comparison, we also measure the magnetoresistance of the ferromagnetic film in the same device in a subsequent sweep. Compared to the Hall measurements, the longitudinal measurement has the advantage of sensing magnetic activity over longer lengths, while compared to the measurement of the magnetoresistance in the ferromagnetic wire, it offers complementary information related to the pinning and unpinning of the domain wall, due to its sensitivity only to the out-of-plane magnetic field component.     

相关阵在抑制局部相关噪声中的应用

本文提出用阵元间互相关作为基元加权求和形成波束(相关阵)，并给出用来抑制线阵局部强相关干扰的一种权向量实现方法。海上试验数据处理结果表明，利用本文提出的权向量实现相关阵比CBF阵有较高的信噪比增益和较好的抗噪声干扰能力。     

紧凑型双单元声系统的波束形成研究

紧凑型扬声器系统的空间感增强是目前便携式移动电声设备面临的一个重要难题。该文基于拓宽视在声源宽度以增强空间感的理念,进行了紧凑型扬声器系统的波束形成研究。该文基于圆柱形刚性障板的声学特性,利用两只扬声器单元设计了紧凑型双单元声系统,分别利用基于相位对齐的最小均方误差算法实现左/右声道的波束形成和利用最小均方误差算法并设计半空间指向性的目标实现虚拟中央声道的波束形成。通过分析波束宽度和扬声器单元的工作状态验证了波束形成效果符合目标设计。考虑到实际使用情况,一方面,该文利用边界元方法仿真分析了有限长障板对扬声器单元指向性以及波束形成的影响,仿真结果表明有限长障板会使得单元整体的指向性变宽,该结果更有利于声系统实现目标;另一方面,该文基于有限元仿真的条件实际设计了双单元声系统,通过实验测量进一步验证了算法的性能。